研究人员研究了晶粒尺寸和温度对极低温度下商业纯钛变形的影响

钛(Ti)因其卓越的性能而被誉为神奇金属，在航空航天、海洋和生物医学行业有着广泛的应用。钛及其合金以其低密度、高强度、高延展性、良好的耐腐蚀性和优异的生物相容性而闻名，其室温下的结构变形机制已被众多研究人员广泛研究。最近，研究人员集中精力研究钛及其合金在极低“低温”温度(< 77K，液氮温度)下的变形。

钛及其合金通过不同的机制变形，包括位错滑移(金属晶粒相互滑移)和“变形孪晶”(晶粒围绕共同晶界对称排列)。晶粒，即晶体材料内明确定义的区域，由以特定、一致的方式排列的原子组成。钛合金中变形孪晶的出现取决于初始织构、应变速率、变形温度和晶粒尺寸。

研究表明孪生可以提高材料的机械性能。此外，商业纯钛(CP-Ti)的低温变形已被证明可以引发变形孪晶，从而显着提高其强度和延展性。然而，不同变形机制和晶粒尺寸对低温下 CP-Ti 强度的确切影响尚未完全了解。

为了解决这一差距，由南京理工大学蔡陈助理教授和刘吉子博士领导的中国研究小组研究了 CP-Ti 在室温和液氮下的机械性能和孪生行为温度(LNT)。“研究 CP-Ti 及其合金在低温下的变形行为有助于开发新的受控工艺，以提高其强度和延展性， ”陈博士解释了他们的研究动机。他们的论文于2023年12月20日在线发布，发表在《中国有色金属学报》第11期第33卷上。

研究人员利用扫描电子背散射衍射和透射电子显微镜等先进技术，研究了两种温度下单轴加载下CP-Ti样品的微观结构和位错的变化。他们研究了样品的塑性硬化行为、孪晶引起的晶粒破碎、织构转变和塑性。

他们的实验表明，在 LNT 下变形的再结晶样品比在室温下变形的样品表现出更好的强度和延展性组合。此外，在两个温度下，晶粒尺寸最小的样品表现出最高的屈服强度。位错滑移被认为是室温下变形的主要机制，而变形孪晶在 LNT 下占主导地位。这种变形机制的转变成为 LNT 观察到的出色机械性能的主要影响因素。此外，该团队还提出了一种考虑低温的修正霍尔-佩奇关系来解释强化机制。

刘博士强调了这些发现的重要性，他说：“研究结果为六方金属在低温下的变形过程提供了重要的见解。这可以改进能够承受极端条件的金属的控制和设计工艺。”

总体而言，这项研究增强了我们对钛等金属的微观结构和变形机制的理解，并为开发更坚固、更具延展性的金属铺平了道路。

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